唐安煤礦3409工作面巷道支護(hù)技術(shù)的優(yōu)化研究

和勇中

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西高平 048400）

唐安煤礦3409工作面巷道支護(hù)技術(shù)的優(yōu)化研究

和勇中

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西高平 048400）

針對唐安煤礦3409工作面巷道支護(hù)特點(diǎn)及效果，對其巷道支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化研究，并通過現(xiàn)場應(yīng)用，得到了較好的經(jīng)驗(yàn)及經(jīng)濟(jì)效果，為類似情況的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

支護(hù)技術(shù)；回采巷道；3409工作面

目前，在各礦井中所應(yīng)用的支護(hù)理論和方法有很多，如組合梁和懸吊理論、圍巖松動(dòng)圈理論等[1-3]。但根據(jù)不同的礦井條件，必須設(shè)計(jì)一套最為合適的支護(hù)方案[4]。目前3409工作面的巷道支護(hù)投入過高，雖然很好的維護(hù)了頂板，但卻增加了很多不必要的輔助支護(hù)。分析其原因主要是對巷道頂板巖石巖性判斷不夠準(zhǔn)確，對頂板巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不夠了解，造成了現(xiàn)場應(yīng)用存在一定的盲目性。

1 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

通過對現(xiàn)場取回的巖樣，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，獲取唐安煤礦3409工作面3號煤層的頂板巖層的抗壓與抗拉強(qiáng)度、容重、內(nèi)摩擦角、泊松比、內(nèi)聚力、彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。結(jié)合鉆孔的數(shù)據(jù)得到3409工作面回采巷道頂板的綜合柱狀圖，見圖1。表1為3409工作面回采巷道錨桿支護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 3409工作面回采巷道地壓特征

3409工作面的回采巷道沿煤層頂板掘進(jìn)。3號煤層厚度5.58～6.67 m，平均6.09 m。所采3號煤層的結(jié)構(gòu)相對簡單，一般不含有煤矸石，局部會(huì)含有一層的煤矸石。頂板由下到上依次為：淺部為厚度在0.5 m到12.96 m的泥巖，平均厚度為7.1 m，呈灰黑色，泥質(zhì)構(gòu)造，抗拉強(qiáng)度為3.91 MPa，抗壓強(qiáng)度為35.09 MPa；其上石灰?guī)r厚度平均為1.6 m，深灰色，含海相動(dòng)物化石，標(biāo)志明顯，抗壓強(qiáng)度95.67 MPa，抗拉強(qiáng)度9.11 MPa；再上砂質(zhì)泥巖厚度平均4.2 m，呈灰黑色，薄層狀構(gòu)造，抗壓強(qiáng)度47.56 MPa，抗拉強(qiáng)度4.16 MPa；3號煤層埋藏平均約為575 m左右。3409工作面回采巷道支護(hù)，順槽斷面呈矩形，寬4.5 m，高3.3 m。

由于節(jié)理裂隙的存在，因此必須考慮其對3號煤層的影響，即普氏系數(shù)fm取0.9，摩擦角θm= tan-1fm=41.99°。

式中：c為片幫區(qū)域的最大深度，m；h為巷道斷面高度，m。

根據(jù)自然平衡拱高度計(jì)算不穩(wěn)定巖層高度為：

式中：hg為頂板自然平衡拱高度，m；a為巷道掘進(jìn)寬度之半，m；fd為頂板普氏系數(shù)。考慮頂板節(jié)理裂隙影響，取頂板加權(quán)普氏系數(shù)fd=1.5，計(jì)算得頂板自然平衡拱高度為2.53 m。

式中：Qd為巷道頂壓，kN/m；γd為頂板巖石容重，取26 kN/m3。計(jì)算得頂壓為335.1 kN/m。

巷道側(cè)部壓力:式中：Qc為巷道側(cè)壓，kN/m；h為巷道斷面高度，m；γm為煤的容重，取13.8 kN/m3；b為頂板自然平衡拱高度，m。計(jì)算得巷幫側(cè)壓為62.5 kN/m。

根據(jù)以上關(guān)于煤層頂板淺部巖層層理裂紋的分析，可能會(huì)有裂紋的破碎或剪切滑移、擴(kuò)大等現(xiàn)象的發(fā)生。回采巷道兩幫巖性較軟弱，由于巷道兩幫大部分是由破碎巖體與裂隙巖體所組成，所以巷道兩幫極易發(fā)生片幫、垮幫等不利現(xiàn)象。巷道兩幫如果出現(xiàn)上述現(xiàn)象，兩幫對頂板所起到的支撐作用就會(huì)減弱，進(jìn)而使得巷道頂板變形增大。最終形成“頂板變形→片幫、垮幫→頂板變形加劇→片幫、垮幫加劇”的惡性循環(huán)過程。

3 3409工作面回采巷道支護(hù)方法

3409工作面回采巷道頂板及兩幫的支護(hù)應(yīng)遵守如下三個(gè)支護(hù)原則：及時(shí)支護(hù)原則，圍巖加固原則，重視流變現(xiàn)象。

根據(jù)以上原則，3號煤層工作面順槽頂板、兩幫所采用的支護(hù)方法主要參數(shù)如下：

3.1 頂板錨桿的支護(hù)參數(shù)選擇

分析頂板的巖性特征，通過運(yùn)用錨桿的減跨作用、擠壓加固拱作用、錨桿鍥固作用、組合梁理論、懸吊理論相互結(jié)合的方法來對巷道頂板進(jìn)行支護(hù)，并采用錨索補(bǔ)強(qiáng)。

頂板錨桿的長度通過如下方法得出：

式中：l為錨桿長度，m；l1為錨固長度，≥0.3 m；l2為錨桿有效長度，m；l3為錨桿外露長度，取0.1 m。按懸吊理論考慮現(xiàn)有錨桿的長度3.4 m，僅兩幫角錨桿的懸吊作用，運(yùn)用擠壓加固拱作用、減跨作用相結(jié)合的方式對頂板進(jìn)行錨桿支護(hù)。通過在圍巖中形成了具有一定厚度的擠壓拱，從而發(fā)揮錨桿對頂板及兩幫支護(hù)的加固和組合作用。使頂板形成整體的柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，阻止巖體的初步變形與破壞，提高圍巖的完整性和穩(wěn)定性，錨桿長度應(yīng)大于錨桿間距的兩倍參數(shù)取值。考慮外露端，故頂板錨桿取間排距應(yīng)不大于1.3 m。采用錨索起補(bǔ)強(qiáng)作用。

錨索間距a及其排間距b可通過每根錨索所可以承擔(dān)的載荷的大小來確定，取每排布置1根錨索，錨桿的錨固力取90 kN，則錨索懸吊載荷（G= bQd=（335.1-200）b）等于其錨固力Q。在考慮了安全系數(shù)K的情況下:

式中：b為錨索排距，m；Q為錨固力，取300 kN。錨索安全系數(shù)K=2.0，計(jì)算得b=1.1 m。即巷道頂板錨索支護(hù)，安全系數(shù)取2，一排布置一根錨索，排間距b=1.1 m。一排布置兩根錨索，排間距b=1.9 m，考慮到頂板最易最先發(fā)生破壞，取錨索的間距為1.8 m，排間距為1.9 m，從而使巷道的安全性得到提高。

錨索要求錨固到頂板穩(wěn)定巖層之上，取巷道寬度的1.4倍為煤層頂板冒落的可能高度，即為6.3 m，錨固端取1.5 m，則其有效長度不應(yīng)該小于6.9 m。取0.4 m外露長度，則頂板錨索長度應(yīng)該大于7.3 m，取7.4 m。

巷道頂板所打的錨桿其間距不大于1.3 m、排間距不大于1.3 m，錨索采用對二布置間距為2 200 mm，排間距不大于2 200 mm，頂板安全系數(shù)大于2。

3.2 兩幫錨桿的支護(hù)參數(shù)選擇

取錨桿之間的距離a等于每排錨桿之間的距離b，即側(cè)壓載荷（G=a2Qc/3.1=62.5a2÷3.1=20.1a2）等于兩幫錨桿的錨固力Q。在考慮了安全系數(shù)K的情況下:

式中：a為錨桿間距，m；Q為兩幫錨桿的錨固力，為40 kN。錨桿安全系數(shù)K=2.0，計(jì)算得a=1.2 m.

可見，巷道兩幫錨桿之間的距離一般不大于1.3 m、排間距不大于1.3 m，安全系數(shù)為2。

兩幫錨桿長度通過如下方法得出：

式中：l為錨桿長度，m；l1為錨固長度，≥0.3 m；l2為錨桿有效長度，m；l3為錨桿外露長度，取0.1 m。計(jì)算可得幫錨桿長度應(yīng)大于1.96 m。

使巷幫形成整體的柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，阻止巖體的初步變形與破壞，提高圍巖的完整性和穩(wěn)定性，錨桿長度的選取應(yīng)大于錨桿間距的兩倍，若兩幫錨桿的長度取1.9 m，故幫錨桿取間距不大于0.8 m為宜。

4 結(jié)論

1）應(yīng)用錨桿的減跨作用、擠壓加固拱作用、錨桿鍥固作用、組合梁理論、懸吊理論相互結(jié)合的方法來對巷道頂板進(jìn)行支護(hù)，并通過采用錨索對其支護(hù)作用進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

2）頂板錨桿應(yīng)具備大于90 kN的錨固力，而兩幫錨桿應(yīng)具備大于50 kN的錨固力。

3）頂板錨桿長度大于3.4 m，頂錨桿取間距排距小于1.3 m為宜。

4）兩幫錨桿長度大于1.96 m，兩幫錨桿取排間距小于0.8 m宜。

5）采用錨索補(bǔ)強(qiáng)，間距為1.9 m，排距為2.0 m，錨索要求錨固到穩(wěn)定巖層之上，長度應(yīng)大于7.3 m為宜，取錨索長度為7.4 m，頂板安全系數(shù)大于2。

[1]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

[2]康紅普，王金華，高富強(qiáng).掘進(jìn)工作面圍巖應(yīng)力分布特征及其與支護(hù)的關(guān)系[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009，34(12):1585-1593.

[3]周華強(qiáng).巷道支護(hù)理論的研究[J].礦山壓力與頂板管理，1993（S1）:170-177.

[4]康紅普，王金華，林建.煤礦巷道錨桿支護(hù)應(yīng)用實(shí)例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(4):649-664.

Optimization of Roadway Supporting Technology of No.3409 Working Face in Tang'an Mine

HE Yongzhong
(Tang'an Mine,Shanxi Lanhua Technology Co.,Ltd.,Gaoping 048400,China)

The design of roadway support was optimized in accordance with the supporting features and effects of No.3409 working face in Tang'an Mine,which has achieved ideal experience and economic effects by field application.The study could be used as reference for the similar supporting designs.

supporting technology;gateway;No.3409 working face

TD353

A

1672-5050（2015）02-0050-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.016

（編輯：樊敏）

2015-01-09

和勇中（1970-），男，山西長子人，大學(xué)本科，工程師，從事煤礦技術(shù)管理工作。